(57)【要約】      （修正有）【課題】回転フィードスルーの状態を示すことが可能な回転フィードスルーを提供する。【解決手段】磁性流体回転フィードスルー１００は、第１の環境と第２の環境との間に延在するために、軸周りに磁性流体シール１６０を設けように構成された多段式磁性流体回転シールと、多段式磁性流体回転シールの物理的パラメータを感知するために磁性流体回転フィードスルー内に一体的に取付けられた１つまたは複数のセンサの組み合わせと、１つまたは複数のセンサ２１０から１つまたは複数のセンサ出力信号を受信して、１つまたは複数のセンサ出力信号を処理し、１つまたは複数の電子処理信号を出力するために、磁性流体回転フィードスルーに取り付けられた、または、組み込まれた信号処理電子装置と、信号処理電子装置から１つまたは複数の電子処理信号を受信して、多段式磁性流体回転シールの状態を示す、電気的に接続された１つまたは複数の出力装置２２０とを備える。【選択図】図２
2010255845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性流体回転フィードスルーシステムであって、
第１の環境と第２の環境との間に延在するために軸周りに磁性流体シールをもたらすように構成された多段式磁性流体回転シールと、
前記磁性流体回転フィードスルー内に一体的に取り付けられ、前記多段式磁性流体回転シールの物理的パラメータを感知する、１つまたは複数のセンサの組み合わせと、
前記磁性流体回転フィードスルーに取り付けられ、または、前記磁性流体回転フィードスルーに組み込まれ、前記１つまたは複数のセンサから１つまたは複数のセンサ出力信号を受信して、前記１つまたは複数のセンサ出力信号を処理し、１つまたは複数の電子処理信号を出力する信号処理電子装置と、
操作可能に接続されて、前記信号処理電子装置から前記１つまたは複数の電子処理信号を受信し、前記多段式磁性流体回転シールの状態を示す、１つまたは複数の出力装置と
を備えるシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
前記１つまたは複数のセンサは、圧力センサ、温度センサ、磁性流体センサ、振動センサ、回転速度センサ、音波センサ、トルクセンサ、化学センサ、冷却剤流速センサ、冷却剤温度センサ、及び、湿度が含まれる
ことを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のシステムであって、
前記１つまたは複数の出力センサ信号は、デジタル信号、アナログ信号、あるいは、デジタル信号とアナログ信号との組み合わせである
ことを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のシステムであって、
前記１つまたは複数の電子処理信号は、デジタル信号、アナログ信号、あるいは、デジタル信号とアナログ信号との組み合わせである
ことを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載のシステムであって、
前記信号処理電子装置は、圧力、温度、磁界強度、振動、回転速度、音響、トルク、化学物質、冷却剤流、冷却剤温度、及び、湿度を測定するための、回路モジュールを含む
ことを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載のシステムであって、
２つ以上の同一のセンサであって、前記回転フィードスルーにおける異なる位置に一体的に取り付けられて、前記同一のセンサ間において示差測定の比較が可能である、２つ以上の同一のセンサをさらに備えるシステム。
【請求項７】
請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載のシステムであって、
前記信号処理電子装置は、測定された物理的パラメータにおける、経時的変化の割合を測定するための計算回路を有している
ことを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項２に記載のシステムであって、
前記温度センサは、前記多段式磁性流体回転シールにおける、磁極片、磁石、及び軸で構成される群から選択された１つまたは複数の構成要素の温度を感知するように構成されている
ことを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムであって、
前記１つまたは複数のセンサは、接触センサ、または非接触センサである
ことを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちのいずれか１つに記載のシステムであって、
前記１つまたは複数の出力装置は、前記信号処理電子装置に直接的に電気的に連結されているか、あるいは、前記信号処理電子装置に無線で連結されている
ことを特徴とするシステム。
【請求項１１】
磁性流体回転フィードスルーの状態を判定する方法であって、
該方法は、
前記磁性流体回転フィードスルーに一体的に取り付けられた１つまたは複数のセンサと、前記磁性流体回転フィードスルー上に、あるいは前記磁性流体回転フィードスルー内に取り付けられた信号処理電子装置との組み合わせを組み入れる工程であって、前記信号処理電子装置は、前記１つまたは複数のセンサから１つまたは複数のセンサ信号を受信及び操作するために、前記１つまたは複数のセンサと電気的に連結されている、工程と、
前記信号処理電子装置から１つまたは複数の電子処理信号を受信するために、前記信号処理電子装置と電気的に連結されている１つまたは複数の出力装置を設ける工程と、
前記回転フィードスルーにおける磁性流体シールの状態を判定するために、前記１つまたは複数の出力装置を監視する工程と、
を含む方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、
前記組み入れる工程は、圧力センサ、温度センサ、磁界センサ、振動センサ、回転速度センサ、音波センサ、トルクセンサ、化学センサ、冷却剤流速センサ、冷却剤温度センサ、及び、湿度で構成される群から選択された１つまたは複数のセンサを組み入れることを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の方法であって、
前記組み入れる工程は、２つ以上の類似のセンサであって、該２つ以上の類似のセンサからの信号間における差を監視するために、各々が前記回転フィードスルー内の異なる位置にある２つ以上の類似のセンサを組み入れることを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
磁性流体回転フィードスルーの状態を判定する方法であって、
該方法は、
磁性流体回転フィードスルーに一体的に取り付けられた１つまたは複数のセンサと、該磁性流体回転フィードスルー上に、あるいは該磁性流体回転フィードスルー内に取り付けられ、かつ、前記１つまたは複数のセンサと電気的に連結された信号処理電子装置と、該磁性流体回転フィードスルー内における磁性流体シールの状態を示すために、前記信号処理電子装置と電気的に連結された１つまたは複数の出力装置とを該磁性流体回転フィードスルーに設ける工程と、
圧力、温度、磁界強度、振動、回転速度、音響、トルク、化学物質、冷却剤流、冷却剤温度、または湿度を含む、１つまたは複数のセンサパラメータを測定する工程と、
前記測定する工程の結果から前記回転フィードスルーの前記磁性流体シールの状態を判定する工程と
を含む方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、
前記測定する工程における前記１つまたは複数のパラメータを閾値と比較することと、
前記１つまたは複数のパラメータが前記閾値を超えている場合に、警告信号を発行することとをさらに含む方法。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の方法であって、
前記組み入れる工程は、２つ以上の類似のセンサであって、該２つ以上の類似のセンサからの前記測定パラメータの信号間における差を監視するために、各々が前記回転フィードスルー内の異なる位置にある、２つ以上の類似のセンサを組み入れることを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、
前記１つまたは複数の類似のセンサの信号差を閾値と比較することと、
前記差が前記閾値を超えている場合に、警告信号を発行することとをさらに含む方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本願は、２００９年３月１２日に出願された米国特許仮出願第６１／１５９，４５８号の利益を主張する。
＜発明の背景＞
＜＜発明の分野＞＞
本発明は、一般的には、磁性流体シールの分野に関する。具体的には、本発明は、多段式磁性流体シールアセンブリに関する。より具体的には、本発明は、磁性流体回転フィードスルーに関する。
＜＜従来技術の説明＞＞
磁性流体フィードスルーは、真空システムに用いられるために開発されてきており、真空システムにおいて、磁性流体フィードスルーは、実質的に密閉されている回転シールを提供するように機能する。これらの製品は、磁性流体の閉じ込めと、磁気的に補捉されたときの圧力差に耐える能力とに依存する。真空フィードスルーは、およそ１気圧から２気圧の低圧力に耐えるように設計されており、いかなる気体も通さない。
【０００２】
図１には、磁性流体フィードスルーの従来の設計が図示されている。磁性流体回転フィードスルー１０には、一般的に、ハウジング１２と回転軸１４とが備えられ、回転軸１４は、ハウジング１２の外へ延出している。軸１４は、透磁性を有しており、２組の段部または２組の歯部１６を備える。ハウジング１２は、回転フィードスルー１０を真空室に取り付けるための標準規格の互換性を有する真空フランジ１８を用いる従来のフィードスルーの典型である。軸１４は、通常、一対の軸受２０によって支持され、一対の軸受２０は、磁性流体シール２２の両側に配置されている。磁性流体シール２２は、２つの固定された透磁性要素２４で構成され、透磁性要素２４は、磁極片と称される。磁極片２４は、磁極片２４の間に配置されている１つまたは複数の永久磁石２６から磁束を伝達する。磁束は、軸１４に切り込まれた連続する段部または歯部１６によって、軸１４にて収束される。これら段部または歯部１６の形状は、長方形状であっても、あるいは、三角形状であってもよい。磁性流体または強磁性流体２８は、収束された磁束内に捕捉され、段部１６にて「流体Ｏリング」として機能する。軸１４は、通常、電気モータによって回転され、電気モータは、ハウジング１２の外にあっても、ハウジング１２に組み込まれていてもよい。
【０００３】
磁性流体または強磁性流体は、連続相における磁性粒子のコロイド懸濁液である。コロイド安定性は、好適な界面活性剤を用いることで達成される。連続相は、用途に応じて選択され、真空用途の場合、連続相は、極めて低い蒸気圧を有する油である。磁性粒子の体積分率は低く、一般的には約５〜１０％である。しかしながら、周囲の界面活性剤の層により、有効体積分率は、粒子体積分率よりもはるかに大きい。
【０００４】
磁力によって磁束が捕捉された場合に、流体Ｏリングは外圧に抵抗可能であるため、シールとして機能し得る。これらのシールは、密閉、且つ非接触であり、汚染物質を生じないので、真空室内で行われる処理にとって理想的である。軸は、通常、モータまたはほかの手段によって駆動され、回転動作は、外部から真空室の清浄な環境内へ伝達される。
【０００５】
このようなフィードスルーは、１時間あたり数回転から、１分間あたり数万回転まで、良好に作動することがわかっている。圧力性能は、超高真空から数十気圧までに及ぶ。リーク速度は、１×１０-11ｃｃ／秒以下の値であり、ほとんど計測できない。作動温度は、−５５℃の低温から＋２００℃まで、あるいは、好適な保護手段を備えてさらに高温まで変動する。
【０００６】
磁性流体または強磁性流体回転フィードスルーは、密閉の非汚染シールが必要な真空システム、例えば、半導体、精密光学、及び太陽電池製造に代表されるシステムにおいてよく使用される。いずれの場合でも、これらの回転フィードスルーは、高精密部品であり、精密軸受が用いられ、一体化されたモータ及びエンコーダを備えていることが多い。回転フィードスルーが一般的に用いられるシステムは、高価な資本設備であり、システム全体の予想される動作可能時間は、９９％程度に高くなり得る。これらのシステムの多くは、とりわけ半導体環境にあるシステムは、人の立ち入りが制限されるクリーンルーム条件下において稼働される。
【０００７】
上述の設備において良好な真空を維持することは不可欠であり、回転真空フィードスルーは極めて重要な要素と考えられている。これらのフィードスルーは信頼性に優れている一方で、依然として予防保全を必要とする。フィードスルーの完全性が損なわれ得る、過剰な温度または汚染などの状況がある。
【０００８】
回転真空フィードスルーが伝達機構の不可欠な要素であり、且つ、単一の装置上で作動する数百基のこのようなフィードスルーが存在し得る太陽電池の製造の場合においては、フィードスルーの完全性に問題が生じた１つのフィードスルーを多数の中で特定するのは、しばしば困難を極める。断続的、あるいは、散発的な欠陥の場合には、フィードスルーの完全性に問題が生じた１つのフィードスルーを多数の中で特定するのは、とりわけ困難である。多くの場合、あるフィードスルーがリークしているという唯一の証拠は、製品の大気汚染が観察されて、製品が使用不能となった場合である。さらに、問題を起こす回転フィードスルーは、特定され、交換される必要があるが、２００基を超える回転フィードスルーを備え、長さ１００メートル程度となり得るチャンバーにおいては、その特定及び交換は、容易な作業ではない。問題を起こすフィードスルーが特定され、交換されると、当該チャンバーは再び真空化される必要があり、数日を要し得る処理によって製造に損失がもたらされる。
【０００９】
そのため、より容易にメンテナンスされる回転フィードスルーが必要とされる。また、回転フィードスルーが故障しそうなときに、より容易に特定される回転フィードスルーも必要とされる。
［先行技術文献］
特許文献１：米国特許５，４９０，４２５
特許文献２：米国特許５，４２１，８９２
特許文献３：米国特許出願公開公報第２００８／０２１１１９３  Ａ１号
＜発明の概要＞
動的回転シールと様々な作動状態とを長時間にわたって維持するのに磁性流体回転フィードスルーが用いられる装置において、磁性流体回転フィードスルーは、重要な要素として考えられることが多い。特に、真空室内への大気ガスのいかなるリークも、製品の生産量の損失、あるいは製品の完全な破損のいずれかをもたらす製品の汚染をもたらす可能性があるので、動的回転真空シールは、極めて解決が難しい問題である。その結果、磁性流体回転フィードスルーは、認められた標準規格となっており、通常の作動状態において、これらフィードスルーは、信頼性が高く、何年間も修理することなく良好に作動する。まさに、無期限に注意を払わなくても装置が作動し続けるであろうと使用者が推測するようになるのは、これら装置の信頼性の高さによる。しかしながら、磁性流体が高真空環境に曝されることで、特に処理が高温でなされる場合に、ゆっくりとした着実な油の蒸発がもたらされることを認識しなければならない。蒸発速度は、主に、真空の程度と温度の程度とに依存し、真空の程度と温度の程度との双方によって製品の作動寿命が変化する傾向がある。しかしながら、非常に高温であっても作動する高品質の磁性流体に関して、蒸発は、何年にもわたって蒸発が生じるような極めて低い速度である。そのため、「どういう場合に」、「いつ」フィードスルーを修理するのかという決断は、とりわけ定義するのが困難である。
【００１０】
フィードスルーは、とりわけ高速にて或いは高負荷にて作動するフィードスルーは、特に軸受に負荷がかかる。真空作動に適合する軸受潤滑油が従来の軸受潤滑油と比べてそれほど良好でないため、この負荷は増大する。そのため、真空環境内で軸受の故障がしばしば観察される一方で、通常は良好な品質の従来の潤滑油を差される大気側の軸受は、良好な状態に維持される。従来の潤滑油を用いている軸受の寿命を予測できるようにするための裏付けデータは数多くあるので、予防保守の周期を正確に特定することができる。しかしながら、真空環境で比較的低品質で作動する場合の負荷についての裏付けデータはわずかしかない。いかなる裏付けデータも誤差幅が大きいことに加えて、様々な作動状態において寿命が大きく変動することで、適切な保守計画を策定することは非常に困難である。
【００１１】
低蒸発速度、及び軸受の寿命を決めることの困難性という上記２つの理由のために、磁性流体フィードスルーは、不必要に短い間隔で交換されたり、あるいは、故障するまで一切交換されなかったりする。極めて重要とされることが多い構成要素にとって十分な状況を示す解決策はない。フィードスルーの状態を監視して、当該状態を操作者または診断装置へ示すことができると有利である。
【００１２】
そのため、本発明の１つの目的は、回転フィードスルーの状態を示すことが可能な回転フィードスルーを提供することである。また、本発明の別の１つの目的は、計画されたシャットダウンにて回転フィードスルーに必要なときにメンテナンスできるように、回転フィードスルーの状態を示すことが可能な回転フィードスルーを提供することである。本発明のさらなる目的は、複数の回転フィードスルーの中から故障を生じる可能性がある回転フィードスルーを容易に特定する手段を備える回転フィードスルーを提供することである。本発明のさらに別の１つの目的は、回転フィードスルーに起こり得る問題の事前警告を提供可能な回転フィードスルーを提供することである。本発明のさらに別のもう１つの目的は、複数のフィードスルーの中で作動している、劣化状態である問題のあるフィードスルーを特定できるようにすることである。
【００１３】
本発明は、１つまたは複数の一体化されたセンサと、信号処理電子装置と、１つまたは複数の出力装置との組み合わせを有する磁性流体回転フィードスルーシステムを提供することにより、これらの目的及び他の目的を達成する。
【００１４】
１つの実施形態では、磁性流体回転フィードスルーシステムは、第１の環境と第２の環境との間に延在する軸の周囲に磁性流体シールをもたらすように構成された多段式磁性流体回転シールと、１つまたは複数のセンサ、及び信号処理電子装置、及び多段式磁性流体シールの状態を定期的に監視して示すために協働する該信号処理電子装置に操作可能に接続された１つまたは複数の出力装置の組み合わせとを含んでいる。１つまたは複数のセンサは、磁性流体回転フィードスルー内に一体的に取付けられて、多段式磁性流体回転シールの１つまたは複数の構成要素についての１つまたは複数の物理的パラメータを感知する。１つまたは複数の構成要素は、磁極片と、磁石と、軸とが含まれる。信号処理電子装置は、磁性流体回転フィードスルーに取り付けられているか、または、磁性流体回転フィードスルーに組み込まれている。信号処理電子装置は、１つまたは複数のセンサから１つまたは複数のセンサ出力信号を受信して、該センサ出力信号を処理し、１つまたは複数の電子処理信号を出力する。１つまたは複数の出力装置は、信号処理電子装置から電子処理信号を受信して、多段式磁性流体シールの状態を示す。
【００１５】
本発明の別の実施形態では、１つまたは複数のセンサは、圧力センサ、温度センサ、磁界センサ、振動センサ、回転速度センサ、音波センサ、トルクセンサ、化学センサ、冷却剤流速センサ、冷却剤温度センサ、及び、湿度センサを含むが、これらに限定されない。これらのセンサは、接触センサ、または、非接触センサであってもよい。
【００１６】
本発明のさらに別の実施形態では、１つまたは複数のセンサは、圧力、温度、磁界強度、振動、及び音響における異なる値を測定するために、フィードスルー内の異なる位置に配置された２つ以上の同一のセンサを含んでもよい。
【００１７】
本発明のさらなる実施形態では、信号処理電子装置は、１つまたは複数の一体化されたセンサの１つまたは複数のセンサ信号を送信する。
本発明の別の実施形態では、センサ信号及び／または電子処理信号は、デジタル信号、アナログ信号、あるいは、デジタル信号とアナログ信号との組み合わせである。オプションとして、センサ信号及び／または電子処理信号は、送受信要素を直接的に電気的に連結することで送信されてもよいし、あるいは、当該要素を無線で連結することで送信されてもよい。
【００１８】
本発明のさらに別の実施形態では、信号処理電子装置は、１つまたは複数のセンサによって測定された、測定された物理的パラメータの経時変化の速度を判定するための計算回路を含んでいる。
【００１９】
別の実施形態では、温度センサは、多段式磁性流体回転シールにおける１つまたは複数の構成要素の温度を感知するように構成されている。これらの構成要素は、磁極片、磁石、または軸を含むが、これらに限定されない。
【００２０】
本発明のさらに別の実施形態では、磁性流体回転フィードスルーの状態を判定する方法であって、磁性流体回転フィードスルーに一体的に取り付けられた１つまたは複数のセンサと、磁性流体回転フィードスルー上、あるいは、磁性流体回転フィードスルー内に取り付けられた信号処理電子装置との組み合わせを組み入れることを含む方法がある。信号処理電子装置は、センサからのセンサ信号を受信及び操作するために、該センサと電気的に連結されている。該方法は、また、信号処理電子装置から１つまたは複数の電子処理信号を受信するために信号処理電子装置と電気的に連結される、１つまたは複数の出力装置を提供し、１つまたは複数の出力装置を監視して、回転フィードスルーにおける磁性流体シールの状態を判定する。
【００２１】
本発明の別の実施形態では、磁性流体回転シールの状態を判定する方法であって、１つまたは複数の別の一体的に取り付けられたセンサからのセンサ出力信号を信号処理電子装置で解釈するときに、磁性流体シールの様々な特性を表示する出力装置を監視することを含む方法がある。測定されるパラメータが所定の閾値と比較されるか、あるいは、２つ以上の類似のセンサが用いられている場合には、該２つ以上の類似のセンサにおける測定されたパラメータの差異が所定の閾値と比較される。測定されたパラメータが、許容可能な範囲外である（つまり、測定されたパラメータが閾値を超えている）場合、出力装置は、磁性流体シールの状態に関する警告信号を発行する。
【００２２】
また、本発明のさらに別の実施形態では、シールが劣化状態である場合に示差測定を行うために、回転フィードスルー内の異なる位置に一体的に取り付けられた２つ以上の同一のセンサを用いる方法がある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来技術の磁性流体回転フィードスルーの１つの実施形態の断面図であって、ハウジング内に配置された、軸と、磁石と、磁極片と、支持軸受と、磁性流体とを示している断面図である。
【図２】本発明の１つの実施形態の部分断面図であって、圧力センサ及び温度センサと、イーサネット接続とを有する磁性流体回転フィードスルーを示している部分断面図である。
【図３】磁性流体回転シールを示す、本発明の１つの実施形態の簡略化された側面図であって、磁性流体回転シールが該シールの磁極片上に配置された少なくとも２つの温度センサを含んでいる、側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
＜好ましい実施形態の詳細な説明＞
本発明の好ましい実施形態は、図２−３に図示されている。
図２は、本発明の磁性流体回転フィードスルー１００の１つの実施形態を部分断面図で示している。回転フィードスルー１００は、フィードスルーハウジング１２０と、フィードスルーハウジング１２０の外へ延出している回転軸１４０とを有する。軸１４０は、透磁性を有しており、２組の段部または２組の歯部１４６を備える。ハウジング１２０は、回転フィードスルー１００を真空室に取り付けるための、互換性のある真空フランジ１８０を含んでいる。軸１４０は、一般的には、一対の軸受１５０に支持され、一対の軸受１５０は、磁性流体シール１６０の両側に配置されている。磁性流体シール１６０は、磁極片と称される、２つの固定された透磁性要素１７０を含んでいる。磁極片１７０は、磁極片１７０の間に配置されている１つまたは複数の永久磁石１７２からの磁束を伝達する。磁束は、軸１４０に切り込まれた連続する段部または歯部１４６によって、軸１４０で収束される。この段部または歯部１６０の形状は、長方形状、三角形状、台形状、角のある形状、または、他の形状あるいは様々な形状の組み合わせであってもよく、本発明において重要ではない。磁性流体または強磁性流体１６４は、収束された磁束内に捕捉されて、段部１４６にて「流体Ｏリング」として機能する。軸１４０は、通常、電気モータによって回転され、電気モータは、フィードスルーハウジング１２０の外にあってもよいし、フィードスルーハウジング１２０内に組み込まれていてもよい。本発明に特有の特徴は、１つまたは複数のセンサと、処理電子装置と、複数の出力装置との組み合わせを回転フィードスルー１００内に含むことである。図２に図示された１つの実施形態では、その組み合わせは、フィードスルー状態モニター装置２００である。
【００２５】
フィードスルー状態モニター装置２００は、フィードスルーハウジング１２０に接続されたモニターハウジング２０２と、１つ以上のセンサ２１０と、１つ以上の出力装置２２０と、（図示しない）処理電子装置とを含んでいる。１つ以上のハウジングファスナ２０４は、モニターハウジング２０２をフィードスルーハウジング１２０へ固定する。信号処理電子装置は、モニターハウジング２０２内に収容されることが好ましいが、フィードスルーハウジング１２０と一体化されてもよいし、あるいは、別体の電子装置ハウジングに内包されてもよい。１つ以上のセンサ２１０の各々は、信号処理電子装置と電気的に連結されている。信号処理電子装置もまた、１つ以上の出力装置２２０と電気的に連結されている。センサ２１０は、回転フィードスルー１００の状態を反映する予め定義された様々な測定値を監視する。
【００２６】
監視方法の１つは、磁極片１７０の間における、すなわち磁気空間１７３における圧力を監視する方法である。図２では、そのような圧力センサ２１０ａが示されている。圧力センサ２１０ａは、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）センサとして示されているが、簡易的なベローズ駆動型スイッチを含む、あらゆる好適な従来の圧力センサ装置を採用してもよい。ＭＥＭＳ装置の利点は、ＭＥＭＳ装置を回転フィードスルー１００のハウジング１２０内に組み入れることが可能であるので、ＭＥＭＳ装置を損傷から保護可能であることである。通常の作動状態においては、磁気空間１７３における圧力は、約１バールである外気圧の圧力程度である。しかしながら、不測の状況によって磁気空間１７３の圧力が低下した場合、その圧力の低下は、真空に隣接する強磁性流体シール段部１６０ａの完全性の欠陥を示すものであろう。
【００２７】
図２に示された実施形態では、真空は、強磁性流体シール１６０の全体にわたって依然維持され、その真空状態を維持するために、磁石１７２の他方側にある第２の一組のシール段部１６０ｂが存在するので、処理が危うくなることはないであろう。
【００２８】
圧縮センサ２１０ａからの信号は、真空状態の完全性に部分的な欠陥があったことと、次の保守サイクルにてフィードスルー１００を交換するのが望ましいこととを示すであろう。信号がアクティブであっても、当該信号を処理して、操作者あるいは診断装置に問題を警告する必要がある。出力装置２２０は、例えば、操作者に警告を与える点滅ＬＥＤ２２０ａなどのように、視覚的であってもよい。しかしながら、信号を電気的な形式とすることによって、より洗練された通信方法の手段を採用することが可能である。出力装置を詳述する前に、入力装置またはセンサ２１０として用いることが可能なオプションを明らかにする必要がある。
【００２９】
中間磁極片または磁気空間圧力センサ２１０ａを用いることが上述されてきた。しかしながら、圧力の測定が、例えば各段部の間、または、段部の集合体の間などのような、段部１６０に沿ったあらゆる位置で達成されることは評価され得る。単純な圧力変化の測定に加えて、圧力変化の速度も監視可能である。圧力の簡易的な監視では「ｙｅｓ」信号または「ｎｏ」信号を与える一方、圧力変化の速度では、漏出の深刻度及び漏出の進行速度についての深刻度が示される。好適に処理された上述の情報によって、緊急性の度合いに関して警告をランク付けすることが可能となる。圧力速度の急激な変化が、即時に対応が必要な緊急の問題があることを示唆する一方で、速度の遅い変化は、緊急性を要しない問題を示す。
【００３０】
潜在的な問題のもう１つの指標は、温度である。温度は、磁極片などのような、固定された要素上で測定可能であり、温度は、例えば、熱電対、抵抗温度計、または、サーミスタといった、市販の温度測定センサの範囲内で測定可能である。このセンサの種類や特性は本発明において重要ではないが、図２では抵抗温度計２１０ｂが示されている。重要なことは、フィードスルー内の状態を測定し、その状況を解釈し、当該情報を伝達する能力である。
【００３１】
圧力の測定と同様に、温度変化の速度も監視可能である。温度の測定は、軸受１５０の一方または両方で行うことが可能である。
ここで図３には、回転シールの部分図が図示されている。図３は、２つの温度センサを用いて温度差を測定するための１つの実施形態の一例である。軸１４０は、透磁性を有しており、軸１４０の周りに配置された２組の周状段部または歯部１４６を備える。軸１４０は、一般的には、（図示しない）一対の軸受１５０によって支持され、一対の軸受１５０は、磁性流体シール１６０の両側に配置されている。磁性流体シール１６０は、２つの固定された透磁性磁極片１７０を含む。磁極片１７０は、ボアを有し、このボアを通って、軸１４０が配置され、また、磁極片１７０は、一般的に、磁極片１７０の外面と、磁性流体シールを含む（図示しない）ハウジングの内面との間に、エラストマーＯリング１９０を含んでいる。磁極片１７０におけるボアの寸法は、周状の段部１４６と磁極片１７０のボアにおける内面との間で、比較的小さなギャップまたは空間Ｇが形成されるような寸法である。磁極片１７０は、磁極片１７０の間に配置されている１つまたは複数の永久磁石１７２からの磁束を伝達する。磁束は、軸１４０に切り込まれた連続する段部または歯部１４６によって、軸１４で収束される。この段部または歯部１６０の形状は、長方形状、三角形状、台形状、角のある形状、または、他の形状あるいは様々な形状の組み合わせであってもよく、本発明において重要ではない。磁性流体１６４は、収束された磁束内に捕捉されて、段部１４６にて「液体Ｏリング」として機能する。温度センサ３１０は、各磁極片１７０上に配置されている。
【００３２】
２つの温度センサ３１０を用いることによって、各磁極片１７０の間における温度差を測定する手段が提供される。このように磁極片１７０の間における温度差を測定することで、磁性シールの温度を一回測定する場合よりも、より良好な磁性シールの状態の指標が提供される。磁性流体シールの温度を一回測定する場合に対して、温度差を測定することには複数の利点がある。温度差の測定を利用することで、単一の温度センサを用いて行われる温度の読み取りの解釈に影響を与え得る外的影響が無効となる傾向がある。磁性流体シールでは、磁性流体用基油の蒸発損失や、段部の破裂、磁性流体の粒子汚染、磁性流体の化学汚染等を含むが、これらの要因に限定されるものではない、様々な要因によってもたらされる、段部の損失が生じることもある。上述のいずれの状態も、磁極片と、段部の形状と、磁性流体とを含む、磁極片シール構造を劣化させてしまう。磁極片１７０の間における温度差を測定すれば、この劣化がより強調される。その理由は、劣化速度は、シール全体にわたって瞬時に起こるものではなく、長時間にわたって磁性流体シールを通して進行するからである。磁極片１７０の間における温度差を測定すれば、この劣化がより強調されるのは、とりわけ、磁性流体シールの一方の側が大気に曝され、また他方の側は処理環境に曝されているからである。つまり、いくつかの段部が劣化するにつれて、その劣化した段部を有する複数の段部と並んで配置されている磁極片の温度が、劣化した段部が全くない磁極片と比べて、作動温度が変化していくことになることを意味する。劣化した段部を有する磁極片と、劣化した段部を有さない隣の磁極片との間の差が、シール全体の状態を示す。
【００３３】
示差熱を増大させるために、本発明によって意図された他のオプションは、低熱伝導率を有する磁石１７２に異なる磁性材料を用いることが含まれる。熱伝導率が低ければ低いほど、磁極片１７０の間における温度差が大きくなる。例えば、２．９Ｗ／ｍＣのフェライトまたはセラミックフェライトは、示差熱の増大について有利な特徴をもたらすであろう。本発明によって意図された、さらにもう１つのオプションは、磁極片と、あるいは、同じ磁性流体を用いるがそれぞれの磁極片が異なる磁化飽和を有しているものと、のいずれかに、異なる磁性流体を用いること、または、同一の磁極片内にある段部のいくつかに異なる磁性流体を用いることである。本発明によって意図されたさらに別のオプションは、磁極片１７０と磁石１７２との間に、比較的薄い（＜厚さ１．０ｍｍ）絶縁シムまたは絶縁層を含むことである。このシム及び／または層は、断熱層として機能し、磁石１７２と磁極片１７０との間の熱伝導を低減させて、温度差を再度増大させる。
【００３４】
フィードスルー１００において用いられる磁石１７２は、アルニコ磁石である。しかしながら、空間と費用とを抑えることができる、いわゆるレアアース磁石を使用することが多くなっている。残念ながら、このような磁石は、最大作動温度がより低く、もし過剰に加熱されると不可逆的に消磁され得る。そのため、例えばホール効果装置などのような、何らかの磁性センサによって磁石を監視できるであろう。
【００３５】
特に高速における磁性流体フィードスルー１００の特性とは、せん断された磁性流体１６４において生じた熱が、固定された磁極片１７０、あるいは回転軸１４０のいずれかに伝達されることである。液体の冷却剤（通常、水が使用される）を用いて磁極片１７０から熱を取り除くことは、比較的簡単である一方、回転軸１４０から熱を取り除くのはあまり簡単ではない。したがって、軸１４０は冷却されないままであることが多い。軸１４０が冷却されないことによって、軸１４０が、磁極片１７０よりも非常に高い温度となることが多い。流体１６４をせん断する処理が熱の発生源である場合には、軸１４０の温度を測定することによって、磁極片１７０の測定よりも、流体温度のより近い近似値がもたらされる。理想的には、回転軸と固定された磁極片との間の間隙内における磁性流体の温度を測定することが好ましい。しかしながら、この間隙が非常に小さく、一般的には５０−１５０ミクロンであるため、回転軸と固定された磁極片との間の間隙内における磁性流体の温度を測定するのは困難であるので、軸の温度を測定することが、実現可能な代替案である。回転軸１４０の温度を測定する最も簡単な方法は、赤外線検出器を用いることである。ここでも、磁極片の温度を測定するのと同様に、温度変化の速度を測定及び監視してもよい。
【００３６】
上述のように、真空処理において用いられる軸受潤滑油には問題がある。この潤滑油の劣化は、早期に軸受の欠陥を引き起こすので、潜在的な問題である。軸受１５０の状態を監視することは、起こり得る潜在的な問題を明らかにする実施可能な方法である。軸受の監視は、２つの可能な方法で容易に実施され得る。つまり、（１）加速度計を用いて、軸受１５０の振動スペクトルを監視し、変化を通知すること、及び（２）例えば、当該構成に取り付けられた圧電センサを聴覚的に用いて、音波を監視することである。好適に増幅され、フィルタされ、及び処理された適切な信号を発生させて、軸受状態の変化を表すのに、あらゆる方法が用いられる。
【００３７】
フィードスルー１００の状態が劣化することに関連する問題の多くは、フィードスルー１００を回転させるのに必要なトルクが増大することによって明らかとなる。上述のように、界面活性剤は、体積分率がわずかに変化することで粘度の著しい増加をもたらすようになる「体積分率に対する粘度」曲線上の一点で、磁性流体が作動する傾向があることを意味する。そのため、強磁性流体１６４における油の蒸発に起因して長期的な変化が起こると、体積分率の上昇及び粘度の増大がもたらされる。強磁性流体１６４における油の蒸発に起因して長期的な変化が起こると、体積分率の上昇及び粘度の増大がもたらされることは、動トルクにおける変化と、及び／または、磁性流体１６４の温度上昇とのいずれかによって、明らかとなる。動トルクにおける変化、及び磁性流体１６４の温度上昇は極めて重大となり得る。よくあることではないが、真空室を準備するのに用いられる洗浄溶剤から引き起こされることも多い液体汚染によって、体積分率が減少し、その結果、粘度が減少し、トルクが低減し得る可能性がある。
【００３８】
同様に、機械的な劣化あるいは潤滑油の劣化のいずれかによって、軸受１５０が劣化すると、動トルク及び生じる熱に変化が生じるようになる。その結果、トルクを総合的に測定することは、特に温度測定を併用することで、有用な診断ツールである。好ましいセンサは、表面弾性波技術、光学技術、あるいは、歪みゲージ技術を用いる、非接触式トルク変換器である。従来のトルク測定装置を使用することも利用可能であるが、従来のトルク測定装置は、動トルクの測定を複雑かつ費用のかかる処理とする固定されている要素を必要とする。さらに、回転速度センサが、フィードスルー１００と一体化されていてもよいことがわかる。これらのセンサからのデータは、フィードスルー１００を回転させるための動力を得るのに用いられ得る。フィードスルー１００の状態を評価するために得られたもう１つの変数は、トルク及び／または動力における変化の速度である。
【００３９】
高速で及び／または高温で使用されるフィードスルーの多くは、通常、水を用いて冷却される。そのため、診断ツールとして、上述の得られる変数を、水の流速、温度、温度上昇、及びこれら変数の変化の速度として用いてもよい。
【００４０】
水で冷却されたフィードスルー１００は、水をシールするために、磁極片１７０上の（図示しない）固定されたＯリングを用いる。磁極片１７０は、透磁性である必要があり、一般的に用いられるステンレス鋼は、腐食に対して良好であるが、非磁性の部材よりも損傷を受ける。そのため、湿度センサを設けることで、Ｏリングのあらゆる漏水が検知可能となる。
【００４１】
磁性流体フィードスルー１００の全てが、真空用途に用いられるわけではない。ガスや化学物質のいかなる漏出も重大な影響を引き起こし得るため、ガスや化学物質が密閉される必要がある圧力用途に用いられるものもある。一般的な用途は、（１）爆発するリスクのある減菌器、あるいは、（２）いかなる薬剤からも逸脱されるべき操作者にとって、致命的なリスクが起こりうる、薬品処理設備である。フィードスルー１００内に好適なセンサを組み込むこと、及び当該センサを通信装置とリンクさせることによって、周囲の環境に漏出が起こる前に、起こる可能性がある危険な漏出を検出することが可能となる。
【００４２】
フィードスルー１００内で測定可能な、考えられ得る変数を特定したことで、当該変数を処理するための好適な電子装置を組み入れることが可能となり、より多くの有益なデータを得ることが可能となる。速度を測定して、回転の総数を評価することが可能である。タイマを組み込むことによって、経過時間及び全稼働時間を評価することが可能である。上述のように、速度及びトルクから、動力が計算され得る。
【００４３】
これらの変数を得て、該変数を処理するために、該変数を外部に通信することが必要となる。次の３つの状況が定義されることになろう：
１．ローカル。任意のインジケ−タがフィードスルー１００の近傍にあることを意味する。当該インジケータは視覚的であってもよく、例えば、図２において参照番号２２０ａで示されているＬＥＤ、計器、あるいは、例えば、音響器、ブザーあるいはサイレンなどの音声装置である。
２．リモート。フィードスルー１００から離れるが、装置内に保持されるか、あるいは、操作者の周辺環境または作動中の設備または作動中のコンピュータ内に保持されて、信号がデジタル形式あるいはアナログ形式のいずれかで送信される。
３．グローバル。フィードスルー１００から離れ、かつ、直近の装置環境の外において、信号がデジタル形式あるいはアナログ形式のいずれかで送信されることを意味する。通常、ネットワーク、または、フィールドバスが想定される。イーサネット系システムは、ウェブサーバや他のネットワークサービスを組み入れていてもよい。他のネットワークサービスは、「フォン・ホーム」システム、電子メールシステム、及び単純なネットワークマネジメントプロトコルシステムを含む。フィールドバスシステムは、関連するバスシステムに必要とされる送受信機を含むであろう。リモートまたはグローバル信号送信システムは、適切なテレメトリーシステムまたは無線通信システムを用いることにより達成することも可能である。このようなシステムもまた、本発明によって意図される。
【００４４】
一体化された電子装置に動力を提供する必要がある場合には、様々な動力源が用いられ得る。そのような動力源としては、バッテリなどのような一体化されたエネルギー源や、回転からまたは熱電モジュールの使用で生じる熱かのいずれかによる動力生成、あるいは、データ接続と共に動力を供給するシステムによるものなどを含む。データ接続と共に動力を供給するシステムは、例えば、パワー・オーバー・イーサネット（ＰＯＥ）システムや、他のシグナルバスから動力を得る（「寄生動力」）システムである。
【００４５】
［００５４］本発明は多くの利点を有する。これらの利点には、フィードスルーの遠隔監視、予定されたシャットダウンでのフィードスルーのメンテナンスを可能とするために回転フィードスルーの状態の早期警告、回転フィードスルーについての潜在的な問題の事前警告あるいは複数のフィードスルーを備えるシステムにおける潜在的な問題の位置を特定する事前警告、費用効果が高いフィードスルーの保守、フィードスルーを使用する処理の信頼性の向上が含まれるが、これらに限定されるものではない。
【００４６】
本明細書において、本発明の好ましい実施形態が説明されてきたが、上述の説明は単なる例示である。当該技術分野の当業者は、本明細書に開示された本発明のさらなる改良に気付くであろうし、そのような改良はすべて、添付の請求項に定義されているような本発明の範囲内であるとみなされる。
【図１】
2010255845.tif 000003
【図２】
2010255845.tif 000004
【図３】
2010255845.tif 000005
【外国語明細書】
1 Title of Invention
MAGNETIC FLUID ROTARY FEEDTHROUGH WITH SENSING AND COMMUNICATION CAPABILITY 
2 Detailed Description of Invention
This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 61/159,458, filed March 12, 2009.
BACKGROUND OF THE INVENTION
Field of the Invention
The present invention relates generally to the field of magnetic fluid seals. Particularly, the present invention relates to a multi-stage magnetic fluid seal assembly.  More particularly, the present invention relates to magnetic fluid rotary feedthroughs. 
Description of the Prior Art
Magnetic fluid feedthroughs have been developed for use in vacuum systems where they perform the function of providing a virtually hermetic rotating seal.  These products rely on the entrapment of magnetic fluid and its ability to withstand a pressure differential when magnetically trapped.  Vacuum feedthroughs are designed to withstand low pressures on the order of 1 to 2 atmospheres and are impervious to all gases.
A conventional design of a magnetic fluid feedthrough is illustrated in Figure 1.  A magnetic fluid rotary feedthrough 10 typically has a housing 12 and a rotary shaft 14 that extends out of housing 12.  Shaft 14 is magnetically permeable and has two sets of stages or teeth 16.  Housing 12 is typical of a conventional feedthrough using a standard vacuum compatible flange 18 for mounting the rotary feedthrough 10 to a vacuum chamber.  Shaft 14 is usually supported by a pair of bearings 20 that are disposed on either side of the magnetic fluid seal 22.  The magnetic fluid seal 22 consists of two stationary, magnetically-permeable elements 24, which are referred to as pole-pieces.  Pole-pieces 24 carry magnetic flux from a permanent magnet or magnets 26, disposed between the pole-pieces 24.  The magnetic flux is concentrated at the shaft 14 by a series of stages or teeth 16 cut into shaft 14.  The shape of these stages or teeth 16 can be rectangular or triangular.  Magnetic fluid or ferrofluid 28 is trapped within the concentrated magnetic flux and acts as "liquid o-rings" at stages 16.  Shaft 14 is rotated usually by an electric motor, which can be external or integrated into housing 12.
Magnetic fluids or ferrofluids are colloidal suspensions of magnetic particles in a continuous phase.  Colloidal stability is achieved by the use of a suitable surfactant.  The continuous phase is selected on the basis of the application and, for a vacuum application, this is an oil with a very low vapor pressure.  The volume fraction of the magnetic particles is low, typically around 5-10%.  However, owing to the surrounding surfactant layer, the effective volume fraction is significantly larger than the particle volume fraction.
When magnetic fluid is trapped by magnetic forces, the liquid o-rings are able to resist an external pressure and therefore act as a seal.  These seals are hermetic and, being non-contacting, do not produce contamination making them ideal for processes conducted within a vacuum chamber.  The shaft is usually driven by a motor or some other means and rotary motion is transferred from the outside into the clean environment of the vacuum chamber.
Such feedthroughs have been shown to successfully operate from a few revolutions per hour up to several tens of thousands of revolutions per minute. Pressure capability extends from ultra high vacuum to many tens of atmospheres. Leak rates are almost immeasurable at values of 1x10-11 cc/sec or lower.  Operating temperature vary from as low as -55°C to +200°C or even higher with suitable protective measures.
Magnetic fluid or ferrofluid rotary feedthroughs are commonly used in vacuum systems where a hermetic, non-contaminating seal is required; systems typified by semiconductor, precision optics and solar cell manufacture.  In all cases, these rotary feedthroughs are high precision components utilizing precision bearings and often including integrated motors and encoders.  The systems they are typically used on are high value capital equipment and the expected uptime of the entire system can be as high as 99%.  Many of these systems, particularly in the semiconductor environment, are operated under clean room conditions where entry by people is restricted.
The maintenance of a good vacuum in the equipment is essential and the rotary vacuum feedthrough is regarded as an item of critical importance.  While the reliability of these feedthroughs is excellent, there is still a need for preventative maintenance.  There are circumstances such as over temperature or contamination where the integrity of the feedthrough can be compromised.
In the case of solar cell manufacture where rotary vacuum feedthroughs are an integral part of the transportation mechanism and where there can be many hundred of such feedthroughs in operation on a single machine, it is often very difficult to identify one feedthrough in many where there is a problem with feedthrough integrity.  This is particularly difficult in the case of an intermittent or sporadic fault.  Often, the only evidence that a feedthrough is leaking is when atmospheric contamination of the product is observed rendering it unusable.  Additionally, the offending rotary feedthrough needs locating and replacing, which is not a trivial exercise in a chamber that could be as much as 100 meters long with over 200 rotary feedthroughs.  Once the offending feedthrough is located and replaced the chamber needs to be re-evacuated, a process that can take many days resulting in a loss of production.
Therefore, what is needed is a rotary feedthrough that is more easily maintained.  What is also needed is a rotary feedthrough that is more easily identified when the rotary feedthrough is about to fail. 
PRIOR ART DOCUMENTS
Patent Document 1: US 5,490,425
Patent Document 2: US 5,421,892
Patent Document 3: US 2008/0211193 A1
SUMMARY OF THE INVENTION
Magnetic fluid rotary feedthroughs are often seen as critical components in the equipment where they are used to maintain a dynamic rotary seal over extended periods of time and diverse operating conditions.  Dynamic rotary vacuum sealing is a very difficult problem to solve particularly as any leak of atmospheric gases into the vacuum chamber can result in contamination of the product resulting in either loss of yield or complete ruination of the product.  Consequently, magnetic fluid rotary feedthroughs have become the accepted standard and under normal operating conditions these feedthroughs are very reliable, operating successfully without servicing for many years.  Indeed, it is the very reliability of these devices that leads users to assume that they will continue operating without attention indefinitely.  However, it must be recognized that exposure of the magnetic fluid to a very high vacuum, particularly if the process is at a high temperature, can result in a slow and steady evaporation of the oil.  The evaporation rate is mainly dependant on the level of the vacuum and the temperature, both of which tend to change over the operating life of the product.  However, for high quality magnetic fluids, operating even at very high temperatures, the evaporation is at such an extremely low rate it takes place over many years.  Therefore, it makes any decision of "if" and "when" to service the feedthrough particularly difficult to define.
Feedthroughs, especially those operating at high speeds or high loads, are particularly demanding on the bearings.  These demands are magnified as bearing lubricants that are compatible with vacuum operation are not particularly good compared to conventional bearing lubricants.  Therefore, failure of the bearing within the vacuum environment is often observed while the bearing on the atmosphere side, often lubricated with a good quality conventional lubricant, remains in excellent condition.  There is considerable supporting data to enable the prediction of bearing life using conventional lubricants and this enables preventative maintenance cycles to be accurately specified.  There is little supporting data, however, on the demands of operating in a vacuum environment with relatively poor lubricants.  The wide variation in life over diverse operating conditions coupled with the large error band on any supporting data makes the definition of a suitable maintenance schedule very difficult.
For both of the above reasons, low evaporation rates and difficulty in defining bearing life, magnetic fluid feedthroughs are either replaced at unnecessarily short intervals or, alternatively, not replaced at all until they fail.  Neither solution represents a satisfactory situation for a component often seen as having critical importance.  It is advantageous to be able to monitor the condition of feedthroughs and signal their condition to operators or diagnostic equipment.
Therefore, it is an object of the present invention to provide a rotary feedthrough that is capable of indicating the condition of the rotary feedthrough.  It is another object of the present invention to provide a rotary feedthrough that is capable of indicating the condition of the rotary feedthrough to enable maintenance when required of the feedthrough at a scheduled shut down.  It is a further object of the present invention to provide a rotary feedthrough with a means to easily identify a potentially failing rotary feedthrough among a plurality of rotary feedthroughs.  It is still another object of the present invention to provide a rotary feedthrough that is capable of providing an advanced warning of a potential problem with the rotary feedthrough.  It is yet another object of the present invention to enable identification of a problem feedthrough in a degraded condition operating amongst a plurality of feedthroughs.
The present invention achieves these and other objectives by providing
a magnetic fluid rotary feedthrough system with a combination of one or more integral sensors, signal processing electronics and one or more output devices.
In one embodiment, a magnetic fluid rotary feedthrough system includes a multi-stage magnetic fluid rotary seal adapted to provide a magnetic fluid seal about a shaft which extends between a first environment and a second environment, and a combination of one or more sensors, signal processing electronics and one or more output devices operatively connected to the signal processing electronics that work together to constantly monitor and indicate the condition of the multistage magnetic fluid seal.  The one or more sensors are integrally mounted within the magnetic fluid rotary feedthrough to sense one or more physical parameters of the one or more components of the multi-stage magnetic fluid rotary seal.  The one or more components include the pole piece, the magnet and the shaft.  The signal processing electronics are mounted to or incorporated in the magnetic fluid rotary feedthrough.  The signal processing electronics receive one or more sensor output signals from the one or more sensors, process the sensor output signals and outputs one or more electronic processing signals.  The output device or devices receive the electronic processing signals from the signal processing electronics to indicate the condition of the multi-stage magnetic fluid seal.
In another embodiment of the present invention, the one or more sensors include, but are not limited to, pressure sensors, temperature sensors, magnetic field sensors, vibration sensors, rotational speed sensors, acoustic wave sensors, torque sensors, chemical sensors, coolant flow rate sensors, coolant temperature sensors, and humidity sensors.  The sensors may be contact or noncontact sensors.
In yet another embodiment of the present invention, the one or more sensors may include two or more of the same sensors located in different locations within the feedthrough for measuring differential values for pressure, temperature, magnetic field strength, vibration, and acoustics.
In a further embodiment of the present invention, the signal processing electronics transmits one or more sensor signals of the one or more integral sensors.
In another embodiment of the present invention, the sensor signals and/or the electronic processing signals are digital signals, analog signals, or a combination of digital and analog signals.  Optionally, the sensor signals and/or the electronic processing signals may be transmitted by directly electrically coupling the transmitting and receiving components or by wirelessly coupling the components.
In still another embodiment of the present invention, the signal processing electronics contains a computational circuit for determining the rate of change over time of a measured physical parameter measured by the one or more sensors.
In another embodiment, a temperature sensor is adapted to sense the temperature of one or more components of the multi-stage magnetic fluid rotary seal.  These components include, but are not limited to, a pole piece, a magnet or the shaft.
In still another embodiment of the present invention, there is a method of determining the condition of a magnetic fluid rotary feedthrough that includes incorporating a combination of one or more sensors integrally mounted in the magnetic fluid rotary feedthrough and signal processing electronics mounted on or in the magnetic fluid rotary feedthrough.  The signal processing electronics are electrically coupled to the sensors for receiving and manipulating the sensor signals from the sensors.  The method also provides for one or more output devices to be electrically coupled to the signal processing electronics for receiving one or more electronic processing signals from the signal processing electronics and to monitor the output device(s) to determine the condition of the magnetic fluid seal of the rotary feedthrough.
In another embodiment of the present invention, there is a method to determine the condition of a magnetic fluid rotary seal that includes monitoring the output device(s) that displays various characteristics of the magnetic fluid seal as interpreted by the signal processing electronics of the sensor output signals of the one or more different, integrally-mounted sensors.  The parameters being measured are either compared to a predetermined threshold value or, if two or more similar sensors are used, the difference in the measured parameters of the two or more similar sensors is compared to a predetermined threshold value.  If the measured parameters are outside of the acceptable range (i.e. the measured parameter exceeds the threshold value(s)), the output device(s) issue a warning signal related to the condition of the magnetic fluid seal.
In yet another embodiment of the present invention, there is a method of using two or more of the same sensor integrally mounted in different locations within a rotary feedthrough to provide a differential measurement when the seal is in a degraded condition.
3 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
FIGURE 1 is a cross-sectional view of one embodiment of a prior art magnetic fluid rotary feedthrough showing the shaft, magnet, pole pieces, support bearings and magnetic fluid disposed in a housing.
FIGURE 2 is a partial cross-sectional view of one embodiment of the present invention showing a magnetic fluid rotary feedthrough with pressure and temperature sensors and an Ethernet connection.
FIGURE 3 is a simplified, side view of one embodiment of the present invention showing a magnetic fluid rotary seal containing at least two temperature sensors positioned on the pole pieces of the seal.
4 Description of Embodiments
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT
The preferred embodiment of the present invention is illustrated in Figs. 2-3.  Figure 2 shows one embodiment of a magnetic fluid rotary feedthrough 100 of the present invention in a partial cross-sectional view.  Rotary feedthrough 100 includes a feedthrough housing 120 and a rotary shaft 140 that extends out of feedthrough housing 120.  Shaft 140 is magnetically permeable and has two sets of stages or teeth 146.  Housing 120 includes a vacuum compatible flange 180 for mounting the rotary feedthrough 100 to a vacuum chamber.  Shaft 140 is typically supported by a pair of bearings 150 that are disposed on either side of the magnetic fluid seal 160.  The magnetic fluid seal 160 includes two stationary, magnetically-permeable elements 170, which are referred to as pole-pieces.  Pole-pieces 170 carry magnetic flux from a permanent magnet or magnets 172, disposed between pole-pieces 170.  The magnetic flux is concentrated at shaft 140 by a series of stages or teeth 146 cut into shaft 140.  The shape of stages or teeth 160 may be rectangular, triangular, trapezoidal, angular, or any other shape or combinations of the various shapes and is not critical to the present invention.  Magnetic fluid or ferrofluid 164 is trapped within the concentrated magnetic flux and acts as "liquid o-rings" at stages 146.  Shaft 140 is rotated usually by an electric motor, which can be external or integrated into feedthrough housing 120.  The unique feature of the present invention is the inclusion of a combination of one or more sensors, processing electronics and output devices in rotary feedthrough 100.  In one embodiment illustrated in Fig. 2, the combination is a feedthrough status monitor device 200.
Feedthrough status monitor device 200 includes a monitor housing 202 connected to feedthrough housing 120, one or more sensors 210, one or more output devices 220, and processing electronics (not shown).  One or more housing fasteners 204 secure monitor housing 202 to feedthrough housing 120.  The signal processing electronics are preferably housed within monitor housing 202 but could also be integral to feedthrough housing 120 or encased in a separate electronics housing.  Each of the one or more sensors 210 is electrically coupled to the signal processing electronics.  Signal processing electronics are also electrically coupled to the one or more output devices 220.  Sensors 210 monitor various predefined measurable values that reflect the condition of rotary feedthrough 100.
One monitoring method is that of monitoring the pressure between the pole pieces 170, that is, in the magnet space 173.  In Fig. 2, such a pressure sensor 210a is shown.  This is shown as a micro-electro-mechanical system (MEMS) sensor but any suitable conventional pressure sensing device can be employed, including a simple bellows operated switch.  The advantage of a MEMS device is that it can be integrated within the housing 120 of rotary feedthrough 100 and, therefore, be protected from damage.  Under normal operating conditions, the pressure in the magnet space 173 is approximately that of the external atmospheric pressure, which is about 1 bar.  Due to unforeseen circumstances, however, if the pressure in the magnet space 173 decreases, the drop in pressure would be indicative of failure of the integrity of the ferrofluid seal stages 160a adjacent to the vacuum.  In the embodiment shown in Fig. 2, vacuum would still be maintained across the ferrofluid seal 160 and the process would not be in jeopardy as there exists a second set of seal stages 160b on the other side of magnet 172 to maintain the vacuum. 
The signal from pressure sensor 210a would indicate that there has been a partial failure of the vacuum integrity and replacement of the feedthrough 100 at the next maintenance cycle is advisable.  Although a signal has been activated, it is required to process this signal and alert operators or diagnostic equipment of the problem.  The output device 220 can be visual such as, for example, a flashing LED 220a that alerts the operator.  By having the signal in an electrical form, however, means that more sophisticated communication methods can be employed.  Before detailing output devices it is necessary to highlight the options available as input devices or sensors 210.
Using of inter-pole-piece or magnet-space pressure sensor 210a has been discussed above.  However, it can be appreciated that the measurement of pressure can be achieved at any position along the stages 160 such as between each stage or a collection of stages.  In addition to the measurement of a simple pressure change, the rate of change of pressure can also be monitored.  Whereas the straightforward monitoring of pressure gives a "yes" or "no" signal, rate of change of pressure provides an indication of the severity of the leak and the rate at which it is progressing.  Such information, suitably processed, enables alerts to be ranked in terms of urgency.  A rapid change of pressure rate would imply an urgent problem that requires immediate attention whereas a slow rate of change would indicate a less urgent problem.
Another indicator of a potential problem is temperature.  This can be measured on static elements, such as the pole pieces, with any of the range of temperature measurement sensors available, such as thermocouples, resistance thermometers or thermistors.  A resistance thermometer 210b is shown in Fig. 2 although the type and nature of the sensor is not important to the invention.  What is important is the ability to measure conditions within a feedthrough, interpret those conditions and communicate that information.
As with pressure measurements, the rate of change of temperature can also be monitored.  Temperature measurements can also be made of either or both bearings 150.
Turning now to Fig. 3, there is illustrated a partial view of a rotary seal.  Fig. 3 is an example of one embodiment for measuring temperature differential using two temperature sensors.  A shaft 140 is magnetically permeable and has two sets of circumferential stages or teeth 146 disposed around shaft 140.  Shaft 140 is typically supported by a pair of bearings 150 (not shown) that are disposed on either side of the magnetic fluid seal 160.  The magnetic fluid seal 160 includes two stationary, magnetically-permeable pole pieces 170.  Pole pieces 170 have a bore through which shaft 140 is disposed and typically include elastomeric O-rings 190 between the external surface of pole pieces 170 and the internal surface of a housing (not shown) containing the magnetic fluid seal.  The size of the bore in pole pieces 170 is such that it creates a relatively small gap or space G between the circumferential stages 146 and the inside surface of the bore of pole pieces 170.  Pole-pieces 170 carry magnetic flux from a permanent magnet or magnets 172, disposed between pole-pieces 170.  The magnetic flux is concentrated at shaft 140 by the series of stages or teeth 146 cut into shaft 140.  The shape of stages or teeth 160 may be rectangular, triangular, trapezoidal, angular, or any other shape or combinations of the various shapes and is not critical to the present invention.  Magnetic fluid 164 is trapped within the concentrated magnetic flux and acts as "liquid o-rings" at stages 146.  A temperature sensor 310 is positioned on each pole piece 170. 
Using two temperature sensors 310 provides a means for measuring the difference in temperature between each of the pole pieces 170.  This measurement of temperature differential between pole pieces 170 provides a better indicator of magnetic seal condition than a single temperature measurement of the magnetic seal.  There are several advantages of using temperature differential measurements over single temperature measurements of a magnetic fluid seal.  Using temperature differential measurements tends to null out external influences that can affect the interpretation of a temperature reading performed using a single temperature sensor. A magnetic fluid seal may experience evaporative losses of the magnetic fluid's base oil, lost stages caused by various factors including, but not limited to, stage blowouts, particulate contamination of the magnetic fluid, chemical contamination of the magnetic fluid, and the like.  Any of these conditions degrades a pole piece sealing structure, which includes the pole piece, stage geometry and the magnetic fluid.  Measuring the temperature difference between the pole pieces 170 magnifies these degradations since the rate of degradation is not instantaneous across the entire seal but progresses through the magnetic fluid seal over time.  This is especially so since the magnetic fluid seal has one side exposed to the atmosphere and the other side exposed to the process environment.  This means that as some stages degrade, the temperature of the pole piece aligned with the plurality of stages having the degraded stage(s) will change in operating temperature relative to the pole piece that does not have any degraded stages.  The difference between the pole piece with the degraded stage(s) and the next pole piece without any degraded stages indicates the condition of the entire seal.
Other options contemplated by the present invention to enhance the thermal differential include using different magnetic materials for magnet 172 having a lower thermal conductivity.  The lower the thermal conductivity, the greater the differential in temperature between pole pieces 170.  For example, ferrite or ceramic ferrite at 2.9 W/mC would provide advantageous characteristics to the enhancing the thermal differential.  Still another option contemplated by the present invention is the use of different magnetic fluids on either pole piece or using the same magnetic fluid but having different magnetization saturation for each pole piece or on some of the stages within the same pole piece.  Yet another option contemplated by the present invention is the inclusion of relatively thin (<1.0 mm thick) insulating shim or an insulating layer between the pole piece 170 and the magnet 172.  The shim and/or layer acts as a thermal break and reduces the heat transfer between the magnet 172 and pole piece 170 and again increasing the temperature differential.
The magnets 172 used in feedthroughs 100 are of the Alnico type. However, there is more and more use of the so called rare earth magnets, which allow savings in space and cost.  Unfortunately, such magnets have a lower maximum operating temperature and can be irreversibly de-magnetized if they are over heated.  Therefore, some form of magnetic sensor, such as a Hall effect device, will allow monitoring of the magnets.
It is in the nature of a magnetic fluid feedthrough 100, especially at high speeds, that the heat generated in the sheared magnetic fluid 164 is transferred to either the stationary pole-piece 170 or the rotating shaft 140.  While it is relatively straightforward to remove the heat from pole-piece 170 by using liquid cooling (water is usually employed), removing heat from the rotating shaft 140 is not so simple.  Accordingly, shaft 140 is often left un-cooled.  A consequence of not cooling shaft 140 is that shaft 140 is often at a considerably higher temperature than pole-piece 170.  Where the process of shearing the fluid 164 is the source of the generated heat, temperature measurements of shaft 140 provide a much better approximation of the fluid temperature than measurements of pole-piece 170.  Ideally, measuring the magnetic fluid temperature within the gap between the rotating shaft and the stationary pole-piece is preferred.  However, as this gap is quite small, typically 50-150 microns, this presents difficulties and therefore shaft temperature measurements are a viable alternative.  The simplest way to measure the temperature of the rotating shaft 140 is to use an infra red detector.  Again, as with measurements of the pole-piece temperature, measuring and monitoring rate of change of temperature may also be performed.
As noted above, there are issues with the bearing lubricants used in vacuum processes.  The degradation of this lubricant, which leads to premature bearing failure, is a potential problem.  Condition monitoring of bearings 150 is a viable approach to indicate emerging potential problems.  Bearing monitoring can be carried out readily in two possible ways:  (1) monitoring the vibration spectrum of the bearings 150 using accelerometers and noting changes; and  (2) acoustically using, for example, piezoelectric sensors mounted to the structure to monitor acoustic waves.  All methods can be used to generate appropriate signals, suitably amplified, filtered and processed to signify changes in bearing condition.
Most problems associated with deterioration in the condition of feedthrough 100 will manifest themselves in an increase in the torque required to rotate feedthrough 100.  As noted above, the surfactant layer means that magnetic fluids tend to be operated at a point on the "volume fraction versus viscosity" curve where small changes in volume fraction will result in significant increases in viscosity. Therefore, long term changes due to evaporation of oil in ferrofluid 164 leads to an increase in volume fraction and an increase in viscosity.  This manifests itself as either a change in running torque and/or an increase in temperature of magnetic fluid 164.  These can be quite significant.  Although less common, it is possible that liquid contamination, often from cleaning solvents used to prepare the vacuum chamber, can reduce the volume fraction resulting in a decrease in viscosity and reduction in torque.
Similarly, any deterioration of the bearing 150, either mechanical or lubricant deterioration, will result in a change in running torque and heat being generated.  Consequently, integrated measurement of torque is a useful diagnostic tool especially combined with temperature measurements.  The preferred sensors are contactless torque transducers that use surface acoustic wave technology, optical or strain gauge technology.  Although the use of traditional torque measuring devices can be used, they require an element to be stationary making dynamic torque measurement a complex and expensive process.  Finally, it is also noted that rotational speed sensors may also be integrated into feedthrough 100.  The data from these sensors can be used to derive the power taken to rotate feedthrough 100. Another derived variable to assess the condition of feedthrough 100 is the rate of change of torque and/or power.
Many feedthroughs used at high speed and/or high temperature are often cooled, usually using water.  Therefore, one can use such derived variables as water flow rate, temperature, temperature rise, and rate of change of these variables as diagnostic tools.
Water cooled feedthroughs 100 use static o-rings (not shown) on the pole-pieces 170 to seal against water.  The pole pieces 170 are required to be magnetically permeable and the commonly used stainless steels, while reasonable against corrosion, do suffer more than the nonmagnetic ones.  Therefore, by providing a moisture sensor, any water leaking across the o-rings can be detected.
Not all magnetic fluid feedthroughs 100 are used in vacuum applications. Some are used in pressure applications where a gas or chemical needs to be hermetically contained as any leakage of the gas or chemical could have serious consequences.  Typical applications are (1) sterilisers where there is an explosion risk or (2) drug processing equipment where there is a potentially fatal risk to operators should any of the drug escape.  Embedding suitable sensors within the feedthrough 100 and linking them to the communication devices allows potentially dangerous leaks to be detected before there is a leak to the environment.
Having identified the possible variables that can be measured within the feedthrough 100, it becomes possible to incorporate suitable electronics to process these variables and derive much useful data.  From speed measurements, the total number of revolutions can be evaluated.  By integrating a timer, elapsed time and total running time can be evaluated.  As noted above, from speed and torque, power can be calculated.
Having derived these variables and processed them, it is necessary to communicate these externally.  Three situations will be defined:
1.  Local, meaning any indicator that is local to the feedthrough 100.  Such indicators could be visual, e.g. LED's, shown as reference number 220a in Fig. 2, gauges, or audible devices such as sounders, buzzers or sirens.
2.  Remote, where the signal is transmitted, either in digital or analog form, away from the feedthrough 100 but remaining within the machine's or its operator's environment, its operating equipment or operating computer.
3.  Global, meaning where the signal is transmitted, either in digital or analog form, away from the feedthrough 100 and outside the immediate machine environment.  Typically, this is envisaged as a network or field bus.  Ethernet-based systems may incorporate a web server and other network services, including "phone-home" systems, e-mail systems and simple network management protocol systems. Field bus systems would contain a transceiver required for the relevant bus system.
Remote or global signal transmission systems can also be effected by use of appropriate telemetry or wireless communication systems.  Such systems are also contemplated by the present invention.
When there is a need to power the integrated electronics, various sources may be used including either integral energy sources such as batteries, power generation either from the rotation or from heat using thermo-electric modules, or by systems that supply power as well as data connectivity for example the Power Over Ethernet (POE) system and other Power Derived from Signal Bus ("Parasitically Powered") systems.
[0054] There are many advantages of the present invention.  These advantages include, but are not limited to, remote monitoring of the feedthrough, early warning of the condition of the rotary feedthrough to enable maintenance of the feedthrough at a scheduled shut down, advanced warning of a potential problem with a rotary feedthrough or identification of its location in a system with a plurality of feedthroughs, more cost effective maintenance of feedthroughs, and improved reliability of the processes that use feedthroughs.
Although the preferred embodiments of the present invention have been described herein, the above description is merely illustrative.  Further modification of the invention herein disclosed will occur to those skilled in the respective arts and all such modifications are deemed to be within the scope of the invention as defined by the appended claims. 
1. A magnetic fluid rotary feedthrough system comprising:
a multi-stage magnetic fluid rotary seal adapted to provide a magnetic fluid seal about a shaft for extending between a first environment and a second environment; 
a combination of one or more sensors integrally mounted within the magnetic fluid rotary feedthrough to sense the physical parameters of the multi-stage magnetic fluid rotary seal;
signal processing electronics mounted to or incorporated in the magnetic fluid rotary feedthrough to receive one or more sensor output signals from the one or more sensors, to process the one or more sensor output signals and to output one or more electronic processing signals; and
one or more output devices operatively connected to receive the one or more electronic processing signals from the signal processing electronics to indicate the condition of the multi-stage magnetic fluid rotary seal.
2. The system of Claim 1 wherein the one or more sensors include pressure sensors, temperature sensors, magnetic field sensors, vibration sensors, rotational speed sensors, acoustic wave sensors, torque sensors, chemical sensors, coolant flow rate sensors, coolant temperature sensors, and humidity.
3. The system of Claim 1 or 2 wherein said one or more output sensor signals are digital signals, analog signals, or a combination of digital and analog signals.
4. The system of any one of Claims 1-3 wherein the said one or more electronic processing signals are digital signals, analog signals, or a combination of digital and analog signals.
5. The system of any one of Claims 1-4 wherein the signal processing electronics include circuit modules for measuring pressure, temperature, magnetic field strength, vibration, rotational speed, acoustics, torque, chemicals, coolant flow, coolant temperature, and humidity.
6. The system of any one of Claims 1-5 further comprising two or more of the same sensors integrally mounted at different locations in the rotary feedthrough to enable differential measurement comparisons between the same sensors.
7. The system of any one of Claims 1-6 wherein the signal processing electronics has a computational circuit for determining the rate of change over time of a measured physical parameter.
8. The system of Claim 2 wherein the temperature sensor is adapted to sense the temperature of one or more components selected from the group consisting of a pole piece, a magnet, and a shaft of the multi-stage magnetic fluid rotary seal.
9. The system of Claim 1 wherein the one or more sensors are contact sensors or noncontact sensors.
10. The system of any one of Claims 1-9 wherein the one or more output devices is directly electrically coupled to the signal processing electronics or wirelessly coupled to the signal processing electronics. 
11. A method of determining the condition of a magnetic fluid rotary feedthrough, the method comprising:
incorporating a combination of one or more sensors integrally mounted in the magnetic fluid rotary feedthrough and signal processing electronics mounted on or in the magnetic fluid rotary feedthrough, the signal processing electronics being electrically coupled to the one or more sensors for receiving and manipulating one or more sensor signals from the one or more sensors;
providing one or more output devices electrically coupled to the signal processing electronics for receiving one or more electronic processing signals from the signal processing electronics; and
monitoring the one or more output devices to determine the condition of a magnetic fluid seal of the rotary feedthrough.
12. The method of Claim 11 wherein the incorporating step includes incorporating one or more sensors selected from the group consisting of pressure sensors, temperature sensor, magnetic field sensors, vibration sensors, rotational speed sensors, acoustic wave sensors, torque sensors, chemical sensors, coolant flow rate sensors, coolant temperature sensors, and humidity.
13. The method of Claim 11 or 12 wherein the incorporating step includes incorporating two or more similar sensors each in a different location within the rotary feedthrough for monitoring the difference between the signals from the two or more similar sensors.
14. A method of determining the condition of a magnetic fluid rotary feedthrough, the method comprising:
providing a magnetic fluid rotary feedthrough with a one or more sensors integrally mounted in the magnetic fluid rotary feedthrough, signal processing electronics mounted on or in the magnetic fluid rotary feedthrough and electrically coupled to the one or more sensors, and one or more output devices electronically coupled to the signal processing electronics for indicating the condition of a magnetic fluid seal within the magnetic fluid rotary feedthrough;
measuring one or more sensor parameters including pressure, temperature, magnetic field strength, vibration, rotational speed, acoustics, torque, chemical, coolant flow, coolant temperature, or humidity; and
determining the condition of the magnetic fluid seal of the rotary feedthrough from the results of the measuring step.
15. The method of Claim 14 further comprising comparing the one or more parameters of the measuring step to a threshold value and issuing a warning signal if the one or more parameters exceeds the threshold value.
16. The method of Claim 14 or 15 wherein the incorporating step includes incorporating two or more similar sensors each in a different location within the rotary feedthrough for monitoring the difference between the signals of the measurement parameters from the two or more similar sensors.
17. The method of Claim 16 further comprising comparing the signal difference of the one or more similar sensors to a threshold value and issuing a warning signal if the difference exceeds the threshold value.
1 Abstract
A magnetic fluid rotary feedthrough has a multi-stage magnetic fluid rotary seal adapted to provide a magnetic fluid seal about a shaft for extending between a first environment and a second environment, a combination of one or more sensors integrally mounted within the magnetic fluid rotary feedthrough to sense the physical parameter of the multi-stage magnetic fluid rotary seal, signal processing electronics mounted to or incorporated in the magnetic fluid rotary feedthrough to receive one or more sensor output signals from the one or more sensors, to process the one or more sensor output signals and to output one or more electronic processing signals, and one or more output devices electrically coupled to receive the one or more electronic processing signals from the signal processing electronics to indicate the condition of the multi-stage magnetic fluid rotary seal.
2 Representative Drawing
Figure 2
【図１】
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【図２】
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【図３】
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